喬玉林，崔慶生，臧 艷，楊善林

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心，北京100072)

摩擦是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，物體間的摩擦有時(shí)會(huì)嚴(yán)重制約能源的利用率，影響生產(chǎn)效率的提高，給生產(chǎn)帶來安全隱患，還會(huì)造成環(huán)境污染等［1］。潤滑減摩是減少材料摩擦磨損最為有效的方法之一，其作用原理是利用潤滑劑來降低(或抑制)兩摩擦表面之間的摩擦力或其他形式的表面破壞作用［2］。超聲振動(dòng)減摩是一種特殊的減摩方法，其作用機(jī)理是利用超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的特殊效應(yīng)，如化學(xué)效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)等，來改善摩擦副接觸界面的潤滑狀態(tài)，從而使摩擦因數(shù)降低［3-5］。熊田明生［6］研究發(fā)現(xiàn):超聲振動(dòng)可使摩擦阻力降低至原有的 1/30～1/10。Kumar等［7］在研究超聲振動(dòng)對(duì)摩擦因數(shù)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn):縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)都會(huì)使接觸面的摩擦因數(shù)下降，并且隨著振動(dòng)幅度的增加，摩擦因數(shù)不斷減少。吳博達(dá)等［8］研究發(fā)現(xiàn):超聲振動(dòng)使摩擦因數(shù)迅速下降，振幅小于5 μm時(shí)，摩擦因數(shù)降低幅度較大;無論是金屬材料還是非金屬材料，超聲振動(dòng)都可以使其摩擦因數(shù)顯著下降，其中金屬材料的摩擦因數(shù)降低更為顯著。王文浩等［9］通過研究干摩擦?xí)r超聲波作用下電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的摩擦因數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn):當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，定子行波振動(dòng)使摩擦因數(shù)降低了約30%。楊善林等［10］研究發(fā)現(xiàn):采用液體石蠟潤滑劑，當(dāng)摩擦頻率為2 Hz、摩擦載荷為40 N時(shí)，超聲振動(dòng)使GCr15/45鋼摩擦副間的摩擦因數(shù)和磨損體積分別減小了10%和49%。

超聲振動(dòng)在干摩擦下可有效地改善摩擦副的減摩抗磨性能，但油潤滑下超聲振動(dòng)對(duì)摩擦副間的減摩抗磨性能的影響研究很少。因此，筆者擬考察在超聲振動(dòng)作用下，摩擦頻率和摩擦載荷對(duì)GCr15/45摩擦副的減摩抗磨性能，并初步探討其超聲減摩抗磨機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用摩擦副上試樣為Φ 6 mm的GCr15圓球，硬度為770 HV;下試樣為Φ 25.4×6 mm的45鋼圓塊，硬度為210 HV;試驗(yàn)所用基礎(chǔ)油為液體石蠟，化學(xué)純。

1.2 試驗(yàn)方法

超聲振動(dòng)摩擦試驗(yàn)在改進(jìn)的MFT-R4000往復(fù)摩擦試驗(yàn)儀上進(jìn)行。通過在油槽壁上加裝超聲換能器，在超聲電源的激勵(lì)下，超聲換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，進(jìn)而引起油槽和下摩擦副產(chǎn)生超聲振動(dòng)，從而使摩擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)處于油潤滑和超聲振動(dòng)耦合作用環(huán)境中。

摩擦試驗(yàn)參數(shù)為:室溫，摩擦?xí)r間10 min，摩程為10 mm，超聲電源的頻率為36 kHz，油槽中潤滑劑為 20 mL。摩擦頻率分別為 1、2、4、5 Hz，載荷分別為5、10、15、20 N，載荷加載方式為砝碼加載。摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，將45鋼圓塊放入丙酮溶液中超聲清洗5 min，除去磨痕表面的油污后，用 KEYENCE VK-9700K型高精度數(shù)碼顯微鏡測量磨痕的磨損體積量，在Quanta200型環(huán)境掃描電鏡(SEM)和 Nova NanoSEM650型環(huán)境掃描電子顯微鏡上分析磨痕表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦頻率對(duì)GCr15/45鋼摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

圖1給出了不同摩擦頻率下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)摩擦副間的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。可以看出:在試驗(yàn)?zāi)Σ令l率范圍內(nèi)，超聲振動(dòng)均可降低摩擦副間的摩擦因數(shù)。當(dāng)摩擦頻率較低時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)摩擦因數(shù)的降低幅度較大，當(dāng)摩擦頻率為1 Hz和2 Hz時(shí)，超聲振動(dòng)使平均摩擦因數(shù)分別降低了22%和24%;當(dāng)摩擦頻率增大到4 Hz和5 Hz時(shí)，超聲振動(dòng)使摩擦因數(shù)分別減小了10%和5%。這說明較低的摩擦頻率有利于超聲振動(dòng)減小摩擦副間的摩擦因數(shù)，隨著摩擦頻率的增加，超聲振動(dòng)的減摩幅度逐漸減小。

圖1 不同摩擦頻率下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(10 N)

圖2 不同摩擦頻率下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼表面體積磨損量曲線(10 N)

圖2給出了不同摩擦頻率下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼表面的體積磨損量?？梢钥闯?不論有、無超聲振動(dòng)，隨著摩擦頻率的增大，45鋼表面的體積磨損量呈逐漸減小的趨勢;而且在不同摩擦頻率下，超聲振動(dòng)均可進(jìn)一步降低45鋼表面的體積磨損量。當(dāng)摩擦頻率分別為1、2、4、5 Hz時(shí)，在超聲振動(dòng)作用下體積磨損量分別降低了29%、32%、16%、15%。這說明在試驗(yàn)?zāi)Σ令l率范圍內(nèi)，較低摩擦頻率下，超聲振動(dòng)對(duì)GCr15/45鋼摩擦副間的磨損有較明顯改善，其中摩擦頻率為2 Hz時(shí)最為明顯。這主要是因?yàn)槟Σ帘砻嬗湍ず穸入S著摩擦頻率的增加而增加，油膜越厚，接觸表面間的潤滑狀態(tài)就越好［11］。

圖3給出了不同摩擦載荷作用下，超聲振動(dòng)對(duì)GCr15/45鋼摩擦副間摩擦因數(shù)的影響?？梢钥闯?在試驗(yàn)載荷范圍內(nèi)，超聲振動(dòng)均可降低GCr15/45鋼摩擦副的摩擦因數(shù)，其降低幅度在18% ～22%之間。

圖4給出了不同摩擦載荷下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼表面的體積磨損量?？梢钥闯?不論有、無超聲振動(dòng)作用，隨著摩擦載荷的增加，45鋼表面體積磨損量呈逐漸增加的趨勢。

圖3 不同摩擦載荷作用下，超聲振動(dòng)對(duì)GCr15/45鋼摩擦副間摩擦因數(shù)的影響

圖4 不同摩擦載荷下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼表面體積磨損量

2.2 磨痕表面形貌分析

圖5給出了摩擦載荷為10 N，在不同摩擦頻率下，有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)的45鋼表面磨痕形貌?？梢钥闯?無論有、無超聲振動(dòng)作用，隨著摩擦頻率的增加，磨痕寬度均減小;但在相同摩擦頻率下，超聲振動(dòng)均可減小磨痕寬度，如當(dāng)摩擦頻率為2 Hz時(shí)，無超聲振動(dòng)下的磨痕較寬，表面分布著大量較深的犁溝和材料塑性變形剝落后產(chǎn)生的剝落坑，如圖5(c)所示，在超聲振動(dòng)作用下，磨痕寬度減小，表面較光滑，犁溝數(shù)量減少，超聲振動(dòng)明顯減輕摩擦表面間的磨損，如圖5(d)所示。因此，在不同的摩擦頻率下，有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)，摩擦副間的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，而超聲振動(dòng)可明顯降低磨粒磨損的程度。

圖5 不同摩擦頻率下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼試樣磨痕表面形貌(10N)

圖6給出了摩擦頻率為1 Hz時(shí)，不同摩擦載荷下，在有、無超聲振動(dòng)作用時(shí)45鋼試樣磨痕表面形貌。可以看出:無論有、無超聲振動(dòng)作用，磨痕寬度均隨摩擦載荷的增加而增大;但在同一載荷下，有超聲振動(dòng)時(shí)的磨痕寬度變小，磨痕表面犁溝數(shù)量減少，磨痕表面較光滑，如當(dāng)載荷為10 N，無超聲振動(dòng)時(shí)，由于GCr15的硬度遠(yuǎn)大于45鋼，在相對(duì)摩擦過程中，GCr15表面微凸體擠壓入45鋼中，起到犁耕作用，在磨痕表面產(chǎn)生犁溝，磨損形式為磨粒磨損，如圖6(c)所示，加入超聲振動(dòng)后，磨痕變窄，表面犁溝數(shù)量減少，磨粒磨損程度減輕，如圖6(d)所示。

圖6 不同摩擦載荷下，在有、無超聲振動(dòng)時(shí)45鋼試樣磨痕表面形貌(1Hz)

2.3 超聲振動(dòng)減摩作用機(jī)理分析

圖7為油潤滑條件下，超聲振動(dòng)的作用機(jī)理示意圖。在油潤滑條件下，當(dāng)正壓力 FN作用于GCr15/45鋼摩擦副時(shí)，45鋼以一定速度υ1在GC15表面作相對(duì)滑動(dòng)，其潤滑機(jī)理符合Stribeck曲線，摩擦因數(shù)與黏度、速度成正比，與載荷成反比。超聲振動(dòng)時(shí)，當(dāng)超聲振動(dòng)以一定速度υ2傳遞到45鋼表面時(shí)，45鋼表面的質(zhì)點(diǎn)就會(huì)按橢圓軌跡進(jìn)行振動(dòng)，其振動(dòng)方向?yàn)闄E圓的切線方向，將摩擦副接觸區(qū)的某一點(diǎn)沿橢圓切線的振動(dòng)分解為縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)?？v向振動(dòng)對(duì)GCr15產(chǎn)生垂直向上的力，可以減少45鋼表面所承受的正壓力，從而使摩擦力減小。但橫向振動(dòng)對(duì)GCr15產(chǎn)生水平驅(qū)動(dòng)力，水平驅(qū)動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致潤滑油不易在45鋼表面形成潤滑油膜，不利于摩擦因數(shù)的減小。因此，超聲振動(dòng)通過這2種作用影響摩擦副間的摩擦磨損。此外，在超聲振動(dòng)作用下，摩擦過程中產(chǎn)生的硬質(zhì)磨屑被迅速清理出磨痕表面，有效地阻止了磨屑的二次磨粒磨損。

圖7 油潤滑條件下超聲振動(dòng)作用機(jī)理示意圖

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